超塑性研究

Al基复合材料超塑性相关研究

1概念介绍与总述

超塑性：是指材料在一定的内部条件（如晶粒形状、尺寸和相变等）和外部条件（如温度、应变速率等）下，呈现出异常低的流变抗力及异常高的流变性能的现象 。

1.1超塑性变形特点

超塑性现象从发现到深入研究经历了几十年的时间，自上世纪 70 年代以来，世界各工业发达国家包括美、英、法、日以及前苏联等竞相研究金属超塑性技术，掀起了超塑性应用技术及理论研究的热潮，已经发现具有超塑性的金属材料已达 200 多种以上，特别是近年来，由于陶瓷及其复合材料超塑性研究取得了突破性的进展，超塑性研究范围从金属材料扩展到了非金属领域[1-4]。与一般塑性变形不同，超塑性变形具有以下特点：

（1）非常大的延伸率，一般 200%，最大可达 5000%以上。 （2）变形抗力小，无或少加工硬化，易变形。

（3）很强的抗缩颈能力，可发生很大变形而无明显的局部缩颈。 （4）对应变速率非常敏感，m 值一般大于 0.3。 （5）对晶粒尺寸、状态敏感，一般要求微细晶粒。

一些超塑性合金及复合材料因变形性能优异，在航空航天、汽车制造等工业部门的应用前景越来越广阔，尤其适宜用于制备形状复杂的构件[5]。 1.2 超塑性变形影响因素

超塑性是材料在特定条件下表现出来的一种综合机械性能，其影响因素有很多，下面就其主要的集中因素进行分析 1.2.1 应变速率的影响

应变速率是影响超塑性的重要因素，应变速率ε对流动应力δ和应变率敏感系

数m有显著影响；m 值较小，应力随应变速率变化缓慢， m 值大，应力随应变速率变化剧烈，在此范围内的材料变形具有很高的应变速率敏感性，且超塑性好，是实现超塑性变形的最佳应变速率范围。 1.2.2 变形温度的影响

温度对超塑性变形有关参数的影响主要有：

（a）随着温度升高，流动应力普遍下降，曲线也向高应变速率方向移动； （b）随着温度升高，m 值增大，曲线峰值向高应变速率方向移动； （c）当应变速率很高时，m 值对温度的敏感性减弱。 1.2.3 晶粒大小及形态

超塑性变形大多要求材料具有微细晶粒，一般情况晶粒尺寸不超过15μm，晶粒大小对超塑性变形的影响很大。

2铝基复合材料的超塑性特点

在金属及金属基复合材料的超塑性中，以铝合金、镁合金、钛合金最为活跃，近年来在合金超塑性上虽然有了一些进步，不过铝合金的超塑性研究中仍有许多工作，包括超塑性变形力学行为、变形过程中的组织演变、变形机制、电脉冲等对材料超塑性的影响；镁合金的研究主要包括系, Mg-Zn-Zr系Mg-A-l Zn系, Mg-Li系合金。因为在低温下实现超塑性课节约资源，防止材料氧化，因此低温超塑性越来越重要由于大多数合金都可以通过一定的处理得到细小的组织，因此现在大量的研究工作都是针对材料的超塑性【6】。然而有些情况下材料的超塑性不易获得如：陶瓷和难以生成细小晶粒的化合物、易生成大面积空洞的金属基复合材料、某些晶粒经细化后难以粗化金属。

超塑性铝合金主要应用于飞行器、车辆、建筑等领域的复杂零部件，可以减少几何废料，提高成品率，保证零件加工后的整体精度Al-Mg 系合金具有良好的塑性、加工性和低温性能，广泛应用于航空航天、交通运输、电子等方面。国外对 Al-Mg 系

合金超塑性的研究较成熟，而国内这方面的研究还很少，国内 Al-Mg 合金板材超塑成型性能也不理想，以Mg、Li作为合金化元素的Al一Mg一Li系合金具有低密度、高弹性模量、抗蚀性能好、强韧性及焊接性能优良的优点。Li是一种非常有应用前景的新型航空航天材料。最具有代表性的Al一Mg一Li系合金是01420合金。为了深入分析Li元素对高Mg含量铝合金超塑性能的发挥所起的作用, 北京航空材料研究所(100095)的王淑云和东北大学的张晓博 崔建忠 张彩培对成分相近的01420合金与LF6合金的超塑性性能进行对比研究

在本研究中所采用的试验方法：用合金铸锭在氩气的保护下熔铸，铸锭经均匀化处理后，热轧得到厚度为10mm的板材，在经过如下的形变与热处理

(a)固溶处理:475℃又2h水冷淬火, (b)过时效处理:300℃又24h空冷;

(c)温轧:在300℃将时效后合金轧成厚度1.smm的板材;

(d)再结晶处理:01420合金超塑拉伸前进行510℃X30min的再结晶处理;LF6合

金温轧试样直接保温Zomin后拉伸。

通过对01420合金进行扫描电镜和X射线衍射能谱分析得到其基体上弥散分布有大量的p相(Mg:Alg)、LIMgAI:和小颗粒ZrA13相;LF6合金析出质点主要为大颗粒的p相(MgZA13)、MnAI。和小颗粒ZrAI。相[7]。可见,Al一Mg合金中加入Li后,不但改变了过时效处理后析出相的成分,并且使析出质点的数量大大增加,为合金再结晶时晶粒的细化和稳定化提供了有利的组织条件。合金超塑变形是晶内位错协调的晶界滑移机制,合金晶粒越细,晶界滑移越容易进行,合金变形所需要的外加应力也就越低。由此可见,在达到相同变形程度时,由于Li元素对Al一Mg合金晶粒细化作用,使其在超塑变形时变形抗力比LF6合金有了大幅度的降低。 添加Li元素的01420。合金与LF6铝合金相比,Li元素的加入改变了Al一Mg合金中过时效处理析出质点的成分、数量和分布;01420合金能够获得更细小稳定的晶粒组织。加入Li元素的Al一Mg合金超

塑变形过程中空洞的形核和长大受到抑制;合金的超塑延伸率和应变速率敏感性指数都得到有效提高,超塑变形时流动应力大幅度降低。

3 铝基复合材料超塑性研究现状

近年来，各国研究人员相继开发出了很多具有高应变速率超塑性的铝基复合材料，其中由 Si3N4、SiC 增强的铝基复合材料得到了很大的发展。 3.1 Si3N4增强铝基复合材料的高应变速率超塑性

Imai 等[7.8]研究了 β-Si3N4晶须增强铝镁合金复合材料的高应变速率超塑性，并分析了镁元素对于该材料高应变速率超塑性的影响在温度为 630℃～640℃、应变速率为 0.1s-1时，β-Si3N4增强复合材料的基体晶粒尺寸小于 2μm，应变速率敏感指数 m 值为 0.47，延伸率达到 200%。随镁含量的增加，复合材料的熔点降低，获得最大延伸率的超塑性变形温度也随之降低。

3.2 SiC 增强铝基复合材料的高应变速率超塑性

许晓静[,9.10]等人成功地制备了具有高应变速率超塑性的 β-SiC 晶须增强 LY12 复合材料。该复合材料晶粒约为 2μm。在温度为 530℃、初始应变速率为 0.11s-1时，延伸率达 350%，应变速率敏感系数 m 值为 0.35。对复合材料进行差热分析（DSC）表明，微量液相是铝基复合材料获得高应变速率超塑性的必要条件。在 620℃～630℃、初始应变速率 0.01s-10.1s-1的条件下，β-SiC 晶须增强纯铝基复合材料也具有高应变速率超塑性，延伸率达到 220%～380%。文献[12]研究了 Al-16Si-5Fe-1Cu-0.5Mg-0.9Zr 铝合金为基体的 5wt.%SiC 颗粒增强复合材料的高应变速率超塑性。在 783K、应变速率 0.14s-1时，该复合材料的延伸率达到270%。复合材料与基体合金相比延伸率较低。分析认为，这是由于复合材料中增强相颗粒在增强相/基体界面脱离所造成的较大密度的孔洞所致许晓静等[13]采用高温拉伸、透射电镜、X 射线衍射仪、差示扫描量热计和超塑性经典理论，对低压浸渗、小挤压和热轧制备的 SiC 晶须增强 2024Al基复合材料超塑性的力学行为和变形机制进行了研